帶電顯示裝置的故障分析與改進

楊曉艷

平高集團 上海天靈開關廠有限公司 上海 201808

1 帶電顯示裝置概述

帶電顯示裝置用于向運行人員提供高壓電氣設備回路的電壓狀態，由顯示單元和傳感單元兩部分組成，顯示單元為帶電顯示器,傳感單元為電壓傳感器。在傳統變電站中，帶電顯示器一般安裝在開關柜低壓室門上或變壓器室門上，電壓傳感器一般安裝在高壓側出線母排上。

如果帶電顯示裝置發生故障，通常需要在設備停役檢修時才能處理。帶電顯示裝置的故障主要有三類： 帶電顯示器故障、電壓傳感器故障，以及兩者間的接線故障。目前，國內常用帶電顯示裝置的電壓傳感器分為電容式傳感器和感應式傳感器兩種，電容式傳感器屬接觸式傳感器，采用電容對高壓進行分壓，并提取信號，從而判斷被測對象是否帶電。這種傳感器容易發生電容擊穿，造成事故[1]。

帶電顯示裝置能夠實時監測各高壓開關設備回路的帶電情況，防止運行人員誤入帶電間隔及帶電合接地刀開關等事故發生。普通的帶電顯示器僅具備電壓檢測回路，利用A、B、C三相傳感器感應電信號的方式來檢測高壓開關柜內是否帶電。如果某相帶電，則導通相應的傳感器支路，對應支路的帶電指示燈亮，從而警示運行人員該高壓開關柜處于帶電工作狀態[2]。現有的高壓開關柜大多采用簡單的機械及電氣方式進行閉鎖，僅通過柜門上的帶電顯示器來檢驗柜門是否帶電，這種方案存在安全隱患，如運行人員未注意到帶電指示燈亮，或帶電指示燈自身因故障而不亮時，都將造成運行人員在高壓開關柜帶電的情況下誤開柜門，并誤入帶電間隔，發生人身傷亡事故。

2 帶電顯示裝置原理

帶電顯示裝置中的帶電顯示器是直接安裝在戶內高壓電氣開關設備上，可以直觀顯示電氣設備是否帶有運行電壓的提示性安全裝置。當設備帶有運行電壓時，顯示器顯示燈發出閃光，警示運行人員高壓設備帶電，無電時則無指示。帶電顯示器與電壓傳感器配套使用，利用傳感器內部芯棒式電容和帶電顯示器內的電容，連接成串聯分壓回路，從中提取來自高壓回路的電壓信號，作為帶電顯示器的驅動信號源。如圖1所示，電壓傳感器的電容通過上法蘭連接至高壓母線，電容另一端通過接線端連接至帶電顯示器，形成完整的帶電顯示裝置[3-6]。

圖1 帶電顯示裝置接線圖

為確保配電設備運行安全，帶電顯示裝置還可以提供高壓開關柜門的強電閉鎖[7]，這種閉鎖基于電氣和機械相結合的電控機構，在柜體帶電的情況下，可實現強制閉鎖高壓開關柜門。由于許多高壓開關柜不裝設接地開關，使電纜室門未設強制的機械五防，因此在電氣設計時需采用電氣閉鎖，如圖2所示。

圖2 電氣閉鎖原理圖

圖2中GSN為帶電顯示器線圈及其輔助觸點，DS為電磁鎖勵磁線圈，ZK為電源空氣開關，KM為控制小母線。當閉鎖控制電源有電時，電源空氣開關合閘，帶電顯示器線圈得電，如果此時高壓開關柜電纜室有電，那么帶電顯示器輔助觸點始終斷開，使電磁鎖勵磁線圈不通電，電磁鎖鎖舌彈出，穿過電纜室門的聯鎖孔，將電纜室門鎖住[8]。當帶電顯示器檢測到電纜室無電時，帶電顯示器輔助觸點閉合，接通電磁鎖勵磁線圈，電磁鎖鎖舌被吸進，退出電纜室門的聯鎖孔，此時才可以打開電纜室門。

如圖3所示，現有電壓傳感器的結構為在絕緣子中部埋設一個電容，電容的一極連接于嵌入絕緣子的接線端，另一極連接至傳感器上端的上法蘭，通過上法蘭連接至高壓母線。

圖3 電壓傳感器結構示意圖

3 故障情況

經抽查試驗，發現高壓開關柜的絕緣故障均為帶電顯示裝置中電壓傳感器擊穿所造成。經分析確認，電壓傳感器內環氧樹脂澆注的電容沿面閃絡是導致電壓傳感器發生擊穿的主要原因。

通常所有高壓開關柜均需通過42kV出廠試驗，因此在不損壞開關設備的前提下，決定增大5%額定工頻耐壓進行裕度試驗。試驗前先對工頻耐壓設備進行電壓值校準，保證設備的誤差值在GB/T 11022—2011《高壓開關設備和控制設備標準的共用技術要求》標準允許范圍內(±1%)。然后對高壓開關柜逐一施加1min工頻44.5kV電壓和沖擊80kV電壓，進行相對地和相對相試驗，以排查故障原因。對電壓傳感器進行的試驗項目包括： ① 工頻44.5kV～48kV裕度試驗；② 80kV正負極性沖擊試驗；③ 1.1倍額定電壓下局部放電試驗，得出最終試驗結果。其中，在沖擊試驗后再進行一次工頻44.5kV～48kV裕度試驗。

拆解被工頻44.5kV電壓擊穿的電壓傳感器，如圖4所示，發現電容磁芯邊緣有沿面放電痕跡。可見，電容磁芯澆注工藝不良、傳感器12kV局部放電試驗不穩定、起弧和熄弧電壓偏低是導致故障的主要原因。

圖4 電壓傳感器拆解照片

對電容沿面擊穿的原因進行具體分析。

(1) 電容表面為B級絕緣漆，允許溫度為 120℃。電容在140℃持續30min的預熱烘烤過程中，絕緣漆軟化，與包裝紙粘連，造成包裝紙不能撕脫，殘留物在環氧樹脂澆注時產生間隙，造成擊穿。

(2) 電容表面殘留污物在環氧樹脂澆注時產生間隙，造成擊穿。

電壓傳感器內部電容如圖5所示。根據澆注工藝，不允許與環氧樹脂材料結合的電容表面有任何污物，而包裝紙粘連的原因可能是電容浸漬的絕緣漆不能耐受140℃高溫，絕緣漆液化后與包裝紙粘連。電容焊接脫焊的原因可能為焊錫不耐高溫，并融化脫落。這些缺陷都會造成電容澆注質量不佳，引發局部放電增多、二次引出線未接通等故障，嚴重時可造成高壓沿電容表面產生縫隙，導致局部放電超標和高壓擊穿。由此判斷，電容器脫焊和包裝紙粘連造成澆注不良是產生故障的主要原因[9]。

圖5 電壓傳感器內部電容照片

4 改進措施

安排有問題的庫存電壓傳感器退貨，加強排查和抽檢，進行局部放電和工頻48kV試驗，明確提高局部放電至3pC的驗收要求，并對現場已送電的帶電顯示裝置中電壓傳感器進行召回處理。同時提高電壓傳感器篩選標準： 局部放電試驗加壓由原來1.1倍額定電壓改為1.3倍額定電壓，出廠試驗由原來1min工頻45kV提高到1min工頻48kV。

目前，帶電顯示器被廣泛集成于開關柜智能操控裝置和開關柜智能顯示裝置中，由于此類裝置集成了高壓開關柜操作、開關狀態顯示、溫濕度控制、帶電顯示、語音提醒等功能，因此必須安裝在高壓開關柜柜前儀表門上。一般高壓開關柜的數量較多，且大部分都在柜后檢修，柜前操作完成后再在柜后操作，必須保證柜前、柜后編號對應,且一個變電站內不允許出現重復,否則就會誤開間隔。高壓開關柜設計時，帶電顯示裝置大部分都安裝在柜前,這樣在開啟后門時,間隔是否有電不能直觀看出，增大了進入帶電間隔的概率[10-11]。因此，需要在柜后門增設一套帶電顯示裝置，監視柜后電纜室內的高壓帶電情況，警示運行人員在帶電狀態下不要打開柜后門，以避免誤入帶電間隔。這樣就出現了兩臺帶電顯示裝置監視同一設備的情況。

針對上述情況，主要有三種改進措施。

(1) 在高壓開關柜中增加一個電壓傳感器，但存在如下缺陷： ① 增加的傳感器擠占安裝空間，增大了安裝工作量及難度；② 增加的傳感器需接一次銅排，增加了銅排及傳感器本身的成本。

(2) 一個電壓傳感器同時帶兩臺帶電顯示器，如圖6所示。設置于電壓傳感器的電容通過上法蘭連接至高壓母線，另一端通過接線端連接兩臺帶電顯示器，從而類似于形成兩臺帶電顯示裝置。

圖6 一個電壓傳感器帶兩臺帶電顯示器接線圖

(3) 不改變傳統電壓傳感器外形和安裝方式，在其內部設置兩個電容，形成雙電容帶兩臺帶電顯示器，這樣可以有效改善兩臺帶電顯示裝置監視同一設備的情況，且兩處帶電顯示器工作穩定，電路連接簡單、安全。

5 結束語

GB 25081—2010《高壓帶電顯示裝置(VPIS)》標準規定了高壓電氣設備用帶電顯示裝置的適用范圍、條件、額定值、結構、型式試驗、出廠試驗和選用導則等內容[12]。帶電顯示裝置的類型較多，選型時需按照標準要求，綜合考慮系統電壓、額定絕緣水平等參數。

筆者針對帶電顯示裝置故障進行了分析，提出了改進措施，可以預防人身傷害事故，確保設備運行的安全和可靠。

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